基于可編程片上系統的智能電子血壓計設計方案

對以往電子血壓計的不足，介紹了一種基于可編程片上系統(SOPC)的智能電子血壓計的設計，血壓測量的方法采用基于充氣過(guò)程的示波法。該系統采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌NNIOS II軟核作為核心處理器，可以完成自動(dòng)測量血壓、信息顯示、數據存儲、查看和刪除歷史數據等功能。由于采用了FPGA，從而簡(jiǎn)化了電路的設計，提高了系統的可靠性和穩定性，并且使系統具有較強的可擴展性，有利于系統的升級。

血壓是反映心血管系統狀態(tài)的重要生理參數，合適的血壓是維持人體正常新陳代謝的必要條件。隨著(zhù)人民生活水平的不斷提高以及城市老齡化程度的提高，人們自我保健意識逐漸增強，電子血壓計具有低成本、小型化、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，如今已作為家庭必備的保健用品，倍受人們的青睞。SOPC(可編程片上系統)是 Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統放到一塊硅片上，稱(chēng)作SOPC。它可以將MCU、DSP和FPGA完美結合，有非常好的發(fā)展前景。

1 人體血壓測量原理

1．1血壓測量

血壓測量方法有很多，最常用的無(wú)創(chuàng )血壓測量方法為柯氏音法和示波法。本文設計所采用的是基于充氣的示波法?；谑静ǚǖ某錃鉁y量恰好是放氣測量的逆過(guò)程，如圖1所示，在壓力增加(充氣)過(guò)程中，檢測靜壓力和袖帶內氣體的振蕩波，振蕩波起源于血管壁的搏動(dòng)。壓力較小時(shí)，在袖帶靜壓力小于舒張壓Pd之前，動(dòng)脈管壁在舒張期已充分擴展，管壁剛性增加，因而波幅維持在較小的水平。隨著(zhù)壓力的增加，當袖帶壓力高于收縮壓Ps時(shí)，動(dòng)脈被壓閉，此時(shí)因近端脈搏的沖擊而呈現細小的振蕩波；當袖帶靜壓等于平均壓時(shí)，波幅達到最大值；振蕩波的包絡(luò )線(xiàn)所對應的袖帶靜壓力就間接地反映了動(dòng)脈血壓。

1．2 心率計算

心率指心臟每分鐘搏動(dòng)的次數，由于心臟與脈搏搏動(dòng)一致，所以在測量血壓的同時(shí)可以測得心率。心率的測定關(guān)鍵判斷脈搏波的峰值，然后根據在一定時(shí)間內測定有多少個(gè)脈搏波，從而計算出心率。

2 SOPC系統的硬件設計

SOPC系統的硬件設計框圖如圖2所示。

2．1 SOPC系統電路

該部分電路由FPGA芯片、存儲器以及其他外圍元件組成，是信號處理的核心部分。由SOPC Builder硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境構建包括CPU、存儲器接口和I／O外設的嵌入式微處理器系統。完成系統設計后，可以用SOPC Builder來(lái)生成系統。下圖為在SOPC Builder中構建的系統內容配置。

SOPC系統中添加了EPCS設備控制器核，這樣做的目的是做到充分利用系統資源，將FPGA的配置數據以及Nios II的軟件程序固化到EPCS芯片中，為Flash芯片節省出更多的空間來(lái)存儲測量結果。這時(shí)Nios II處理器的復位地址要設置為EPCS控制器的基地址，當系統復位后固化到EPCS芯片中的程序將自動(dòng)下載到SDRAM中運行。

圖4為由SOPC Builder硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的SOPC系統的頂層模塊圖。

2．2 壓力測量電路

2．2．1 壓力傳感器選型

本設計的壓力傳感器選擇的是Motorola公司生產(chǎn)的MPXV5050GP壓力傳感器。其內部含有信號運放，具有信號調節功能，有良好的線(xiàn)性度，可以直接將動(dòng)脈血液對血管壁的壓力轉換為0．2～4．7V的電信號，對應的血壓值為0～375mmHg，與血壓計的設計要求非常匹配。

2．2．2 驅動(dòng)電路的設計

控制氣泵和電磁閥工作的信號是由FPGA發(fā)出的，氣泵需要的工作驅動(dòng)電流為450mA，電磁閥為75mA，而FPGA的數字I／O輸出電流不能滿(mǎn)足要求。因此，為給氣泵和電磁閥提供合適的驅動(dòng)電流，采用達林頓管陣列ULN2803驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)氣泵和電磁閥工作。ULN2803可輸出500mA的電流，分別利用ULN2803的第一路、第二路來(lái)驅動(dòng)電磁閥和氣泵，第三路驅動(dòng)一個(gè)LED用來(lái)指示脈搏波信號。如圖5所示。

2．3 傳感器輸出信號的提取

從壓力傳感器出來(lái)的信號是脈搏波的振蕩信號和靜壓力信號的混合信號，還夾雜著(zhù)來(lái)自外界的高頻干擾、直流或低頻分量。我們將混合信號分為兩個(gè)部分，一部分經(jīng)過(guò)低通濾波器后進(jìn)行A／D轉換，從而提取出袖帶壓信號，另一部分則通過(guò)帶通濾波、放大電路，得到放大的脈搏波數據后再送入A／D轉換模塊。信號提取部分的具體電路如圖6所示。

這里采用截止頻率為0．48Hz的二階低通巴特沃斯濾波器，將低通濾波器增益設為1，這樣做可以盡量減少誤差的放大。采用具有信號放大能力的有源濾波器對脈搏波信號的提取，通帶頻率范圍設計為0．48～4．8Hz。脈搏波信號放大濾波后，要使其最大幅度盡量接近A／D轉換模塊的允許上限，這樣有助于提高采集數據的精度。

由于需要對靜壓信號和脈搏波信號分別進(jìn)行A／D轉換，因此需要兩個(gè)采樣通道。人體的臂動(dòng)脈血壓，收縮壓一般在95～140mmHg范圍內，平均值為 110～120mmHg，舒張壓為60～90mmHg，平均值為80mmHg，考慮到高血壓等疾病情況，血壓計的測量范圍應該在0～250mmHg內，則對A／D轉換器的要求至少為8位(28=256)。

2．4 鍵盤(pán)電路與顯示電路

本系統用1個(gè)按鍵作為系統復位開(kāi)關(guān)，5個(gè)按鍵作為系統操作鍵盤(pán)，分別完成測量血壓、查看記錄、上翻記錄、下翻記錄和刪除記錄的功能。顯示部分采用的是128×64點(diǎn)陣LCD顯示器，具有操作簡(jiǎn)便，界面友好的特點(diǎn)。

本系統的軟件工作流程框圖如圖7所示。其中信號處理算法部分主要是對采樣的脈搏信號進(jìn)行處理，包括采用數字濾波算法對各種干擾噪聲信號進(jìn)行識別與去除，改善脈搏波的包絡(luò )線(xiàn)等，以提高電子血壓計在測量血壓時(shí)的抗干擾能力與測量精度。

當用戶(hù)測量血壓時(shí)，按下“測量”按鍵，SOPC系統發(fā)出控制信號給氣泵，開(kāi)始加壓充氣。充氣的過(guò)程中，來(lái)自壓力傳感器的血壓信號經(jīng)放大、濾波后送入A／D 轉換模塊，信號經(jīng)A／D轉換后送入SOPC系統執行相應的信號處理算法，計算出心率、收縮壓和舒張壓的值。SOPC計算出測量值以后，保存本次測試結果至 Flash芯片(寫(xiě)Flash)，如果測量結果正常，則LCD顯示出所測的數據并執行快速放氣操作；如果測量出的結果超出正常范圍，則顯示相應提示信息，同時(shí)發(fā)出警報聲音和放氣控制信號。如果在測量過(guò)程中出現錯誤，系統將停止充氣并啟動(dòng)電磁閥進(jìn)行放氣，蜂鳴器也會(huì )發(fā)出報警聲音，同時(shí)顯示測量出錯的提示信息。

用戶(hù)可按下相應按鍵來(lái)完成“查看”(讀Flash芯片)、“刪除”(擦除Flash芯片中當前存儲區的內容)等功能。若用戶(hù)想退出當前操作或者是測量過(guò)程中出現錯誤，直接按下復位鍵系統即可回到初始化狀態(tài)等待新的操作信息。

4 測量結果對比與分析

為了檢驗本設計的測量結果，我們將此電子血壓計與市面上評價(jià)比較好的歐姆龍HEM-7012型電子血壓計分別對不同的個(gè)體進(jìn)行了測量，結果如表1所示：

從多組測量結果的對比可以看出，雖然測量結果存在一定的誤差，但本血壓計對不同的測量者具有良好的個(gè)體適應性。與歐姆龍電子血壓計相比，本血壓計測得的血壓結果略有偏大，這是因為電子血壓計采用基于充氣過(guò)程的示波法，特征點(diǎn)的確定只能依賴(lài)采集樣本的統計歸納，有一定的離散性，此外，在測量過(guò)程中，壓力傳感器輸出信號以及放大、濾波等電路的輸出信號都可能與真實(shí)值之間存在一些小的差異，因此會(huì )存在一定的誤差。

5 結束語(yǔ)

本文所提出的電子血壓計設計方案采用的是基于充氣測量的方法。具有操作簡(jiǎn)單方便、界面友好、測量精度較高、個(gè)體適應性強等優(yōu)點(diǎn)，而且由于采用充氣過(guò)程測量，放氣速度很快，因此縮短了測量時(shí)間，提高了用戶(hù)的測量舒適度。

.